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ISSN impreso: 1657 - 4583. ISSN en línea: 2145 - 8456, CC BY-ND 4.0
S. Escobar, E. Hoyos, “Obtención de juntas disimiles de la aleación de aluminio AA7075 – T6 y polietileno de alta densidad (HDPE) empleando el
proceso Friction Stir Welding (FSW),” Rev. UIS Ing., vol. 18, no. 2, pp. 103-112, 2019. doi: 10.18273/revuin.v18n2-2019009
Vol. 18, n.° 2, pp. 103-112, 2019
Revista UIS Ingenierías
Página de la revista: revistas.uis.edu.co/index.php/revistauisingenierias
Obtención de juntas disímiles de la aleación de aluminio
AA7075 – T6 y polietileno de alta densidad (HDPE)
empleando el proceso Friction Stir Welding (FSW)
Dissimilar joints of the aluminum alloy AA7075 – T6 and
high-density polyethylene (HDPE) obtained by Friction Stir
Welding (FSW)
Santiago Escobar-Muñoz1a, Elizabeth Hoyos-Pulgarín1b
1Escuela de Ingeniería y Ciencias básicas, Universidad EIA, Colombia. Correos electrónicos:
a [email protected], b [email protected]
Recibido: 19 mayo, 2018. Aceptado: 16 noviembre, 2018. Versión final: 16 febrero, 2019.
Resumen
En este trabajo se empleó el proceso de soldadura en estado sólido Friction Stir Welding (FSW), aprovechando su
condición para obtener uniones permanentes sin superar la temperatura de fusión de los materiales involucrados y sin
requerir material de aporte. Sus características lo convierten en una buena opción para la obtención de juntas disímiles
y específicamente para la combinación AA 7075 – T6 y polietileno de alta densidad (HDPE, por sus siglas en inglés).
Esta aleación es comúnmente empleada en el sector aeroespacial, y es ideal para el proceso FSW, ya que se caracteriza
por su baja soldabilidad por métodos tradicionales por fusión, al presentar problemas de susceptibilidad al
agrietamiento durante la solidificación. Las uniones polímero-aluminio se presentan como una alternativa para la
fabricación de componentes que requieren altas relaciones resistencia–peso.
Para las juntas se empleó material base de 50 x 150 mm y 3/16 in de espesor, una maquina CNC equipada con un
dispositivo de medición de fuerzas, axiales y longitudinales, adaptado a la bancada; una herramienta no consumible de
acero H13 con hombro convexo de círculos concéntricos, y un pin cilíndrico roscado de 4,5 mm de largo. Los
parámetros evaluados estuvieron entre 500 y 2450 rpm de velocidad de giro, y entre 25 y 100 mm/min para la velocidad
de avance. Las juntas obtenidas se evaluaron empleando ensayos no destructivos (END) de inspección visual (IV) y
líquidos penetrantes (LP). Adicionalmente se empleó corte por chorro de agua y partículas, buscando así el menor
nivel de afectación, para obtener probetas y comparar el nivel de continuidad o unión en la sección transversal de las
juntas, empleando estereoscopia óptica. Como complemento de las técnicas de inspección, se contrastaron los
resultados con datos de fuerza longitudinal y axial y el comportamiento mecánico de algunas juntas.
A partir de los resultados obtenidos por los métodos mencionados se encontró que ante valores intermedios de
velocidades de rotación y de avance en el intervalo evaluado, la sección transversal de las soldaduras presenta mayor
continuidad y mejores prestaciones. Resalta la combinación de parámetros: soldaduras a 50 mm/min, entre 1150 a
2450 RPM, y la combinación de 75 mm/min y 2450 RPM. La obtención de juntas sanas es prometedora, pero aún está
en desarrollo.
Palabras clave: AA7075-T6; Friction Stir Welding; HDPE; soldaduras disímiles.
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S. Escobar, E. Hoyos.
Abstract
In this work, the solid-state process of Friction Stir Welding (FSW) was employed due to its ability to obtain permanent
joints without surpassing the fusion temperatures of the base materials involved and being free of filler material. Its
characteristics make it a satisfactory process for bonding dissimilar materials, specifically the aluminum alloy AA7075
– T6 and high-density polyethylene (HDPE). This alloy is commonly used in the aerospace industry and other high –
demanding mechanical applications because of its properties, making it ideal for FSW as it presents low weldability
by traditional methods like arc welding processes. Aluminum and polymer joints are presented as an alternative for
the fabrication of components with high weight resistance ratio.
For the welds, base material plates of 50X150mm and 3/16 in thick, a CNC machine equipped with a longitudinal and
radial force measuring device and a non-consumable H13 tool with a concave shoulder and concentric circles with a
4.5 mm threaded pin were used. The parameters selected range from 500 to 2450 RPMand from 25 to 100 mm/min for
the spindle and travel speed, respectively. Non-destructive tests (NDT) of visual inspection and dye penetrant were
used on the welds to evaluatie the quality. Additionally, joints were sectioned and inspected employing optical
stereoscopy after obtaining probes by water jet cut, looking for the level of continuity in the region of welding. This
information was compared with force data and destructive tests results.
Additionally, water jet cutting was used, seeking the lowest affectation level to obtain sound specimens and compare
the level of continuity in the cross-section of the joints, using optical stereoscopy. As a complement to the inspection
techniques, the results were compared with longitudinal and axial force data and the mechanical behavior of some
joints.
The cross-section of the welds had greater continuity and better performance using the following parameters
combinations: 50 mm/min and between 1150 to 2450 RPM and the combination of 75 mm/min and 2450 RPM.
Obtaining sound joints is promising but still in development.
Keywords: Friction Stir Welding; dissimilar welds; AA7075-T6; HDPE.
1. Introducción
Friction Stir Welding (FSW) es un proceso de unión en
estado sólido desarrollado en 1991 por el Instituto de
Soldadura del Reino Unido (TWI, por sus siglas en
inglés), derivado de los procesos convencionales de
soldadura por fricción, y que utiliza una herramienta no
consumible para la unión del material deseado [1]. Las
múltiples aplicaciones que tiene este proceso en la
industria se aprovechan de la baja distorsión de sus juntas
y la posibilidad de unir materiales que por métodos
convencionales de arco eléctrico resultan muy difíciles,
como lo es para los aluminios a consecuencia del óxido
superficial, y es ideal en la fabricación de paneles de
aluminio para la industria naval, aeroespacial,
automovilística, entre otras [2]–[4]. En FSW una
herramienta rotatoria avanza en dirección perpendicular
a su eje de giro, a lo largo de una junta formada por dos
placas en contacto y una platina de respaldo que sirve
para el confinamiento del material. Un esquema del
proceso de soldadura se observa en la figura1.
Por las características de unión del proceso de FSW, en
el cual no se alcanzan temperaturas superiores a las de
fusión de los materiales [5], no solo se pueden unir
materiales similares, sino a su vez también aquellos de
diferentes naturaleza y condiciones de entrega, como
aleaciones de aluminio y acero, magnesio, o incluso
polímeros; en aras de mejorar las propiedades mecánicas,
relaciones resistencia-peso, mayor resistencia a agentes
externos a los que se ven expuestos, entre otras [2].Ya
que se puede utilizar la técnica con diversos materiales,
se hace interesante evaluar el comportamiento de una
junta disímil entre aluminio y polímero, ya que permite
valorar una junta con una relación de resistencia de peso
alta y poca reacción a ataques químicos.
Figura 1. Esquemático del proceso de FSW.
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Obtención de juntas disimiles de la aleación de aluminio AA7075 – T6 y polietileno de alta densidad (HDPE)
empleando el proceso Friction Stir Welding (FSW)
A continuación, en la sección de desarrollo del trabajo se
exponen los criterios de selección del aluminio y el
polietileno, de la herramienta adecuada para el proceso y
el grupo de parámetros que se identificaron como
adecuados para la obtención de las juntas. Luego se
exponen los criterios de evaluación de sanidad usados,
entre ellos, ensayos no destructivos de líquidos
penetrantes e inspección visual, medición de fuerzas,
análisis estereoscópico y pruebas a tracción. Por último,
se analizan los resultados alcanzados hasta la fecha en
este tipo de juntas disímiles, y se plantean conclusiones y
trabajos futuros.
2. Desarrollo del trabajo
2.1. Selección de materiales
La aleación de aluminio seleccionada es la AA7075 – T6,
su composición se presenta en la Tabla 1[6]. Con el
tratamiento térmico adecuado, esta aleación es
ampliamente utilizada en aplicaciones con demandas
mecánicas altas, gracias a su buena relación resistencia-
peso reflejadas en las propiedades físicas y mecánicas
(Tabla 2). Su soldabilidad es limitada, y emplea métodos
de soldadura convencionales por fusión, ya que se puede
presentar precipitación, grietas en caliente y porosidad
[7].
El polímero empleado es polietileno de alta densidad
(HDPE), cuyas propiedades se presentan en la Tabla 3, y
es ampliamente utilizado en la industria, por su fácil
operación, versatilidad y amplia disponibilidad en el
medio local [8]. Ejemplos de las aplicaciones en las que
se utiliza comúnmente varían desde recipientes para
químicos y reactivos, por su alta estabilidad, pasando por
tuberías de conducción de agua y otros productos
industriales, ya que no se degrada al contacto con fluidos
[9]. Seleccionados los materiales por soldar, se decidió
llevar a cabo juntas a tope con placas de aluminio
AA7075 - T6 y HDPE, cada una de 50 x 150 mm y 3/16’
de espesor, y se hizo así uso del montaje existente.
Tabla 1. Composición química AA7075 - T6 [6].
Elementos de aleación
Aluminio (Al) Zinc (Zn) Magnesio (Mg) Cobre (Cu) Otros
Porcentaje 86,9 a 91,4 5,1 a 6,1 2,1 a 2,9 1,2 a 2 > 4,7
Tabla 2. Propiedades físicas y mecánicas AA7075 - T6 [10].
Propiedad
Resistencia
última (MPa)
Resistencia a la
cedencia (MPa)
Conductividad
térmica (W/mK)
Temperatura de
fusión (°C)
Valor 572 503 130 635
Tabla 3. Propiedades físicas y mecánicas del HDPE [8], [11].
Propiedad
Resistencia a la
cedencia (MPa)
Conductividad
térmica (W/mK)
Temperatura
de fusión (ºC)
Valor 25 0,461 129
2.2. Selección de parámetros y herramienta
Para la selección de los parámetros de soldadura se
realizó una revisión bibliográfica de trabajos previos que
reportan juntas de materiales disímiles similares al
polímero y aluminio seleccionados, buscando identificar
además geometrías de herramienta similares a la
seleccionada, con una configuración de la junta igual y
con ángulo de inclinación cercano o igual a 2 grados [2],
[4], [12]–[17]. Con lo cual se construyó la Tabla 4, que
presenta un diseño de experimentos factorial 42, para un
total de 16 soldaduras sin réplicas, con el orden aleatorio
en que se realizaron los cordones, y una configuración de
junta a tope con inclinación de herramienta de 2 grados,
llevadas a cabo en una máquina de control numérico
FIRST - MV1100.
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S. Escobar, E. Hoyos.
Tabla 4. Diseño de experimentos para la ejecución de
soldaduras.
Velocidad de
rotación
(RPM)
2450 1 7 15 5
1800 10 14 2 12
1150 16 3 6 11
500 8 9 13 4
25 50 75 100
Velocidad de avance
(mm/min)
La herramienta seleccionada para que cumpla las
condiciones adecuadas de longitud de pin y geometría de
hombro que se consideraron propicias para el ángulo de
inclinación se presenta en la figura 2.
Esta se usó previamente para soldar aluminio de forma
satisfactoria, y cuenta con una geometría convexa con
círculos concéntricos, 15 mm de diámetro y un pin cónico
roscado de 4,5 mm.
Figura 2. Herramienta para soldaduras disímiles.
2.3. Evaluación de ensayos no destructivos
Para el análisis de las soldaduras, se emplearon dos
métodos, inspección visual (IV) y líquidos penetrantes
(LP), cuyos resultados son simples de interpretar, a
diferencia de los obtenidos por rayos X y ultrasonido en
algunas muestras. Lo anterior debido a la diferencia de
densidad e impedancia de los materiales que genera
resultados en los que no se identifican los materiales y las
discontinuidades con un contraste adecuado, en
comparación con juntas no disímiles. Los criterios de
evaluación para cada una de las dos técnicas se presentan
de forma gráfica en la figura 3 y la figura 4 , basados en
la normativa de la AWS D17.3 [18] y en el estándar ISO
25239 [19], considerando la presencia o no de grietas
superficiales, rebaba y apariencia general.
2.4. Análisis estereoscópico
Para el análisis por estereoscopía se cortaron dos
muestras rectangulares de 20 x 100 mm de cada una de
las soldaduras de la Tabla 4, empleando corte por chorro
de agua. La sección transversal de las soldaduras se pulió
hasta llegar a una lija de referencia 600. Con lo cual se
obtuvo una superficie lisa que, al utilizar un equipo
Nikon Eclipse LV100, permitió identificar grietas,
distribución del aluminio en la zona de mezcla y anclajes
mecánicos en las juntas.
Para la distribución y tamaño del aluminio, se identificó
la zona afectada por el pin de la herramienta, conocida
como nugget. Se midió el área total en cada uno de los
cortes, y se realizó una proporción del aluminio en la
matriz de polímero en términos del área. Todo ello fue
realizado por medio del software ImageJ.
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Obtención de juntas disimiles de la aleación de aluminio AA7075 – T6 y polietileno de alta densidad (HDPE)
empleando el proceso Friction Stir Welding (FSW)
a) b) c)
Figura 3. Criterio de aceptación para inspección visual: a) soldadura sana, b) soldadura intermedia y c) soldadura discontinua.
Figura 4. Criterio de líquidos penetrantes: a) soldadura sana, b) soldadura inaceptable discontinua y c) inaceptable continua.
2.5. Medición de fuerzas
Durante el proceso FSW se generan fuerzas
longitudinales y verticales, como consecuencia de la
oposición a fluir del material que está siendo soldado.
Estas, al ser contrastadas con la información arrojada por
los ensayos destructivos, pueden ser relacionadas en
ciertos casos con la sanidad de las juntas obtenidas [20].
Teniendo lo anterior en mente, se decide utilizar el
dispositivo de medición de fuerzas que se presenta en la
figura 5, previamente desarrollado por el grupo de
investigación, en búsqueda de una información más
completa para justificar la sanidad y la posible aparición
de tendencias entre la calidad de la unión y las fuerzas
presentes en el proceso.
Como características generales, el dispositivo de
medición es un equipo que mide las reacciones de la
herramienta respecto a la bancada de la máquina CNC
que se utiliza. Para la adquisición de las fuerzas, usa dos
celdas de carga de 12 kN para la componente vertical
(correspondiente al eje de rotación de la herramienta) y
una celda de carga de 5 kN para la fuerza de oposición al
avance.
Figura 5. Dispositivo de medición de fuerzas desarrollado.
a)
b)
c)
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S. Escobar, E. Hoyos.
2.6. Pruebas de tracción
Estas pruebas sirven con medida para evaluar la
resistencia mecánica de las juntas obtenidas al aplicar una
fuerza de tracción a los especímenes, y poder así
contrastar los resultados obtenidos con la combinación de
parámetros planteados en la Tabla 4. Para esto se propuso
una geometría de probetas basada en el estándar ASTM
E8/E8M [21], pero luego modificada como se observa en
la figura 6, porque al momento del corte se presentaron
desprendimiento de la junta; sobre las cuales se
realizaron los ensayos. El tamaño de las muestras
corresponde a un tipo sub–size, con una longitud máxima
de 100 mm y 20 mm de ancho, cortadas de forma
transversal al cordón de soldadura de 120 mm de longitud
y falladas a una velocidad de aplicación de la fuerza de 5
mm/min, haciendo uso de una máquina de ensayos
universal.
Figura 6. Probetas de tracción.
3. Resultados
A partir de los resultados obtenidos por medio de la IV y
los LP, no se obtuvo ninguna soldadura completamente
sana conforme a los criterios planteados, pero sí se
identifican regiones prometedoras. Identificando el
número de soldaduras que presentan esta condición, se
hizo una relación con el total de juntas fabricadas y se
obtuvo que más del 60 % de estas son inaceptables.
Al sobreponer los resultados, solo se encuentran dos
combinaciones aceptables, 2450 RPM – 50 mm/min y
1150 RPM – 100 mm/min, que presentan las condiciones
más favorables conforme a los criterios de evaluación
planteados en la figura 3 y la figura 4 pero no son
significativos, al ser solo 2 de las 16 soldaduras.
Analizando dichas condiciones respecto a las imágenes
de la sección transversal obtenidas por la estereoscopia
óptica, se encontró que este comportamiento responde a
que el aluminio se deposita en la matriz de polímero; y se
presentan, en varios casos, grietas y entrelazamiento
mecánico en el fondo del cordón, como se observa en la
figura 7, que se asemeja a una unión mecánica, pero sin
presentar un flujo del polímero en el aluminio.
Por otro lado, en la zona de mezcla, la fijación del
aluminio al polímero es muy estable, y el tamaño de las
partículas se incrementa de forma inversamente
proporcional a la velocidad de rotación y directamente
proporcional a la de avance, como se ilustra en la figura
8. Adicionalmente se observa que la proporción de
aluminio respecto al polímero en la zona de mezcla
disminuye. Inicia en valores cercanos al 30 % a la
izquierda y finaliza en 10 %.
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a) b) c)
Figura 7. Características de las soldaduras disímiles: a) grieta completa, b) unión intermitente de material y
c) entrelazamiento en la región inferior/raíz del cordón.
Con lo anterior se planteó el mapa de proceso preliminar
que se observa en la figura 9, cuya clasificación consta
de cuatro calidades correspondientes al nivel de unión
que presentan los cordones, basado en la metodología de
evaluación inicial. Se identifica además que no existe
ninguna combinación de parámetros que presenten
calidades altas de soldadura, y aquellas con las mejores
características tienen la relación de aluminio-polímero
(porcentaje de área cubierta) más alta en el rango
encontrado (superior al 21 %), la cual va desde 7 a 33 %.
Evaluando los resultados de inspección visual frente a las
fuerzas axiales, se observa que las fuerzas intermedias
del proceso, entre 1400 a 1700 N, coinciden con la región
de mejor calidad identificada en la inspección visual.
Figura 8. Comportamiento del tamaño de las partículas en las soldaduras disímiles en la misma distribución de la
Tabla 4.
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S. Escobar, E. Hoyos.
Figura 9. Comparativo de la inspección visual y las fuerzas axiales. En la izquierda, mapa de imágenes e inspección
visual; y en la derecha, el mapa de fuerzas axiales.
Los resultados de las pruebas a tracción, realizados en 6
de las 16 soldaduras –esto debido a que algunas de las
muestras fallaron durante el proceso de corte–,
corroboran que la región identificada con calidad media
por IV presenta las mejores propiedades mecánicas y
valores constantes en la resistencia última con valor
máximo de esfuerzo de 1,5 MPa, eficiencia de apenas el
6 % del material base de menor resistencia, como se
presenta en la figura 10.
Figura 10. Curvas de esfuerzos a tracción para algunos cordones.
4. Discusión
La eficiencia de las juntas disímiles, a pesar de ser
inferior al material base de referencia, el menos resistente
(polímero), que obtiene un máximo del 6 %, permitió
identificar combinaciones de parámetros prometedoras,
ya que es una región que puede identificarse empleando
todos los métodos de evaluación utilizados. Además,
para parámetros de soldadura a 25 mm/min en velocidad
de avance y a 500 RPM en rotación, se presentan los
peores resultados.
El comportamiento de las juntas disímiles de aluminio
polímero se asemeja, en la interfase entre la zona de
mezcla y la aleación de aluminio, a una unión mecánica
con limites relativamente claros y poca coalescencia. A
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empleando el proceso Friction Stir Welding (FSW)
pesar de no obtenerse resultados en resistencia mecánica
cercanos al del material base, existe una región que
presenta condiciones prometedoras; y se espera obtener
un mayor número de soldaduras en esa región
(soldaduras a 50 mm/min, entre 1150 y 2450 RPM; y a
2450 RPM con 75 mm/min) y evaluar otros tipos de
herramientas en trabajos futuros que permitan mejorar
estos resultados.
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